王 波，項 沖，安增軍，戴 亞，王子羲，郭 飛

（1. 國網(wǎng)江蘇電力設(shè)計咨詢有限公司，江蘇 南京 210008；2. 清華大學(xué) 機械工程系設(shè)計工程研究所，北京 100084）

導(dǎo)語：

智能化建造是建筑業(yè)發(fā)展的重要方式，建筑業(yè)的快速發(fā)展要求建筑裝備不斷變革。本文通過分析建筑業(yè)發(fā)展的背景及需求，闡釋建筑裝備智能化發(fā)展的必要性，對國內(nèi)外典型的路橋和房屋智能建筑裝備進行介紹，總結(jié)影響智能建筑裝備發(fā)展的因素，為智能建筑裝備發(fā)展和建筑業(yè)綠色發(fā)展提出建議。

引言

旋挖鉆機的起源可以追溯到二戰(zhàn)之前，美國的卡爾維爾特公司發(fā)明出世界上第一臺旋挖鉆機，后來經(jīng)過不斷的發(fā)展，旋挖鉆機成為灌注樁成孔作業(yè)中一種較為常用的施工機械。旋挖鉆機在施工過程中具有孔徑范圍廣、定位準(zhǔn)確、成孔質(zhì)量高、工作效率高、環(huán)保性好等優(yōu)點，在道路、橋梁、高層建筑等施工過程中得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)全面機械化的推進，旋挖鉆機鉆孔較淺、對硬質(zhì)土層效果不佳、對臨時道路的修建要求高、需單獨的吊車配套、更換鉆具等調(diào)整工序需要時間長等幾個缺點也慢慢地顯現(xiàn)出來。這些問題很大程度上限制了旋挖鉆機在某些特定施工條件下的應(yīng)用，也使得旋挖鉆機的施工成本變高。面對這些問題和挑戰(zhàn)，技術(shù)人員不能盲目嘗試旋挖鉆機的技術(shù)創(chuàng)新，而是需要根據(jù)旋挖鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀制定出最合適的技術(shù)進化路線，盡量節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)所需的時間和資源。

01 TRIZ理論

TRIZ理論是由俄國學(xué)者阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在1946年創(chuàng)立的，通過研究成千上萬的專利，他發(fā)現(xiàn)發(fā)明并不是一種隨機的事件，其背后有一套固定的進化模式、進化定律與進化路線。根據(jù)這些發(fā)明規(guī)律，他總結(jié)出了一套系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)明方法，也就是TRIZ理論，利用TRIZ理論，設(shè)計者可較快地確定現(xiàn)有產(chǎn)品最有效率的創(chuàng)新方向，減少產(chǎn)品研發(fā)所需的時間與資源。

在沒有TRIZ理論之前，人們的發(fā)明創(chuàng)新大多來自于一次偶然的突發(fā)奇想或者無數(shù)次的試錯經(jīng)歷，更加接近于一種隨機的行為，所需的時間與資源無法估量。相對于這種創(chuàng)新過程，TRIZ理論有著明顯的特點與優(yōu)勢，它立足于創(chuàng)新發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律，研究技術(shù)發(fā)展的整個開發(fā)過程，通過分析系統(tǒng)發(fā)展過程中存在的矛盾，而得出合理的探索方向。

02 旋挖鉆機的技術(shù)成熟度分析

阿奇舒勒創(chuàng)立TRIZ理論之前在專利局工作，在研究了大量的發(fā)明專利之后，他發(fā)現(xiàn)任何產(chǎn)品的發(fā)展過程都遵循著一定的規(guī)律，人們只要掌握了這些規(guī)律，就能夠快速地推動產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展。在他的帶領(lǐng)下，TRIZ理論研究團體分析了當(dāng)時世界上的近250萬份發(fā)明專利，總結(jié)出了各種技術(shù)發(fā)展規(guī)律以及發(fā)明創(chuàng)造方法。

S曲線四參數(shù)法

TRIZ理論提出，任何技術(shù)系統(tǒng)都有一套相似的客觀進化規(guī)律，都有一個從誕生到淘汰的過程，像人一樣有著一個完整的生命周期。通過對產(chǎn)品的性能、專利、利潤發(fā)展過程進行大量研究，阿奇舒勒把產(chǎn)品的技術(shù)進化過程分為嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期4個階段。其中產(chǎn)品的性能參數(shù)、專利數(shù)量、專利等級、利潤的變化是依賴發(fā)展階段呈S曲線形式變化，如圖1所示。

通過繪制4種參數(shù)的S曲線（圖1）并根據(jù)曲線特征可以判斷出產(chǎn)品目前所處的發(fā)展階段，然后根據(jù)各個發(fā)展階段的特征可以得出當(dāng)前適合于該產(chǎn)品的技術(shù)進化路線。

圖1 技術(shù)進化特征曲線

產(chǎn)品專利數(shù)量曲線

在S曲線的4個參數(shù)中，專利數(shù)量能夠直觀反映出旋挖鉆機的研究現(xiàn)狀，其中專利數(shù)量曲線代表的是當(dāng)前研究人員對旋挖鉆機的關(guān)注度。每年關(guān)于旋挖鉆機的專利越多，代表著人們越重視旋挖鉆機的發(fā)展。通過網(wǎng)上提供的專利數(shù)據(jù)，一共收集了1974～2017年間的3 176份與旋挖鉆機相關(guān)的專利，以專利申請日的年份為橫坐標(biāo)，每年申請的專利數(shù)量為縱坐標(biāo)，繪制出旋挖鉆機的專利數(shù)量曲線，如圖2所示。

圖2 專利數(shù)量曲線

旋挖鉆機專利數(shù)量曲線與TRIZ進化理論提出的S曲線吻合度較高，4個階段的曲線特征較為明顯。在2003年以前，有關(guān)旋挖鉆機的專利出現(xiàn)得很少，這時旋挖鉆機的技術(shù)系統(tǒng)缺陷還很多，得不到人們的重視，還處于嬰兒期階段；而在2003～2012年，旋挖鉆機的專利數(shù)量逐年增長很快，旋挖鉆機正漸漸地進入到人們的視野當(dāng)中，根據(jù)曲線特征可以判斷其處于成長期；而后專利數(shù)量開始緩慢增加，到一定值之后開始減少，就現(xiàn)在旋挖鉆機的專利數(shù)量曲線來看，旋挖鉆機大概率處于成熟期或者衰退期。

專利等級曲線

除了專利的數(shù)量之外，專利的質(zhì)量對一個技術(shù)系統(tǒng)來說也非常重要，極具突破性的專利能夠大幅度提升產(chǎn)品的性能，而只是作為修飾的一些專利對產(chǎn)品的發(fā)展影響會非常小，所以專利質(zhì)量也是考察技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展程度的一個重要指標(biāo)。TRIZ理論對發(fā)明專利的質(zhì)量依據(jù)其科學(xué)價值、應(yīng)用范圍以及經(jīng)濟效益等情況劃分為5個等級。

第1級：多數(shù)是通過參數(shù)優(yōu)化來小幅度提升系統(tǒng)性能的發(fā)明，這一類專利需要其他領(lǐng)域的知識并不多，主要依靠的是設(shè)計人員常年積累的知識與技術(shù)經(jīng)驗，不需要創(chuàng)新，只需要運用操作經(jīng)驗來對已有系統(tǒng)進行簡單改進，這種發(fā)明專利占所有發(fā)明專利總數(shù)的35%。

第2級：通過對系統(tǒng)進行一些小改進來解決技術(shù)上的矛盾。這類問題需要行業(yè)內(nèi)有豐富經(jīng)驗的設(shè)計人員利用已有的理論對系統(tǒng)進行改進。例如在焊接裝置上配置滅火器解決焊接裝置的安全問題。這種發(fā)明創(chuàng)造或?qū)＠及l(fā)明專利總數(shù)的42%。

第3級：對已有系統(tǒng)進行根本性的改進。這一類問題的解決會更加依賴于本行業(yè)以外的方法和知識，是對原有系統(tǒng)進行完全的變革，用來解決一些主要矛盾。例如智能手機的發(fā)現(xiàn)與提出、鼠標(biāo)的發(fā)明等。該類發(fā)明專利占發(fā)明專利總數(shù)的19%。

第4級：通過運用全新的原理對系統(tǒng)功能進行比較大的更新。這一類發(fā)明更加偏向于利用科學(xué)的進步而不是工程上的改進，充分利用科學(xué)知識來使系統(tǒng)性能得到較大的提升與擴展。如內(nèi)燃機的發(fā)明、飛機與汽車的出現(xiàn)。該類發(fā)明專利占發(fā)明專利總數(shù)的4%。

第5級：由具有巨大影響力的罕見科學(xué)原理而導(dǎo)致的一種全新系統(tǒng)的發(fā)明，比如愛迪生發(fā)明了燈泡，瓦特發(fā)明了蒸汽機。這類發(fā)明專利占所有發(fā)明專利的0.3%。

依據(jù)TRIZ理論對專利的分級方式對查閱到的3 176份專利進行等級劃分，并對申請年份相同的專利等級取平均值來代表該年份的專利等級，繪制出如圖3所示的專利等級曲線。

旋挖鉆機的專利等級在趨勢上與標(biāo)準(zhǔn)S曲線一致，呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。而到了2017年，與旋挖鉆機相關(guān)的大部分專利等級都處在1級，這表明旋挖鉆機的技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟了，很難做出大的改進，由此判斷旋挖鉆機的技術(shù)成熟度應(yīng)該已經(jīng)過了成長期，處于成熟期或者衰退期階段的可能性較大。

產(chǎn)品性能及利潤分析

衡量一個產(chǎn)品的技術(shù)成熟度離不開對其性能的分析，一個產(chǎn)品成熟度越高，其性能絕對值會越高，但性能的提升就會緩慢。通過對現(xiàn)有旋挖鉆機產(chǎn)品的性能調(diào)研發(fā)現(xiàn)，旋挖鉆機的主要性能參數(shù)，如整機工作重量、最大鉆孔深度、動力頭最大扭矩、發(fā)動機功率等，已經(jīng)多年未發(fā)生明顯的改變，由此可以判斷旋挖鉆機的技術(shù)成熟度很可能處于成熟期。

利潤也是衡量一個產(chǎn)品發(fā)展程度的關(guān)鍵因素。當(dāng)產(chǎn)品處于高速發(fā)展期時，其利潤也會不斷上升，較為成熟之后其利潤就會穩(wěn)定下來。從公開的渠道無法得到準(zhǔn)確的利潤數(shù)據(jù)，但對各家公司的鉆機報價上進行簡單分析后發(fā)現(xiàn)，旋挖鉆機近年來價格基本沒有太大變化，由此分析其處于成熟期的可能性較高。

圖3 專利等級曲線

定位技術(shù)成熟度

根據(jù)對旋挖鉆機4個參數(shù)的分析，可以認為旋挖鉆機目前處于成熟期的可能性較高。而針對各個時期的技術(shù)系統(tǒng)，TRIZ理論都提出了一些相應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)進化法則，這些進化法則能為設(shè)計者們的原始創(chuàng)新提供思路，節(jié)約創(chuàng)新發(fā)明所需要的時間與資源。

03 旋挖鉆機的技術(shù)系統(tǒng)進化法則

TRIZ理論在分析大量產(chǎn)品研發(fā)過程的基礎(chǔ)上，更具體描述技術(shù)系統(tǒng)的進化演變規(guī)律，總結(jié)出了8個基本的技術(shù)系統(tǒng)進化法則。技術(shù)系統(tǒng)進化法則描述的是在技術(shù)系統(tǒng)更新?lián)Q代、提升性能的過程中，系統(tǒng)內(nèi)部組件之間以及與外界環(huán)境的關(guān)系。進化法則指出了系統(tǒng)發(fā)展階段時的主要矛盾與可行的進化路線，為技術(shù)人員提供了技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進化的方向與模式。而不同法則在不同的技術(shù)系統(tǒng)成熟度階段應(yīng)用的頻率各不相同，圖4展示了不同進化階段所主要運用的進化法則。

基于前文判斷出旋挖鉆機目前處于成熟期，應(yīng)優(yōu)先考慮成熟期應(yīng)用概率較高的向微觀進化法則，再考慮衰退期與成長期應(yīng)用概率較高的向超系統(tǒng)進化法則、動態(tài)性進化法則等。

向微觀進化法則

向微觀進化法則指的是技術(shù)系統(tǒng)在進化過程中沿著減小元件尺寸的方向發(fā)展，其元件會從最初的尺寸不斷減小，逐漸向原子、基本粒子的尺寸進化，但同時其功能不會退化甚至能實現(xiàn)更好的功能。向微觀性進化法則解決的是由大尺寸元件而引起的一系列問題，而旋挖鉆機存在著尺寸重量過大、不方便運輸?shù)膯栴}，所以可以從該法則出發(fā)進行旋挖鉆機的技術(shù)進化，如圖5所示。

圖4 S曲線與進化法則的關(guān)聯(lián)特性

向超系統(tǒng)進化法則

當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)進化到極致時，就會趨向由單系統(tǒng)向雙系統(tǒng)及多系統(tǒng)進化，多個系統(tǒng)集成到一塊形成超系統(tǒng)，使原有系統(tǒng)的功能得到加強。旋挖鉆機在鉆孔之后還需要進行成孔檢測、混凝土澆注等工序，如果能夠在原有鉆機基礎(chǔ)上增加這些功能，則能拓寬鉆機的用途與經(jīng)濟效益。

動態(tài)性進化法則

動態(tài)性進化法則是指技術(shù)系統(tǒng)的進化應(yīng)該沿著結(jié)構(gòu)柔性、可移動性、可控性增加的方向發(fā)展，以適應(yīng)環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化。旋挖鉆機目前的主要問題在于它的可移動性較低，可控性也有待提高。

子系統(tǒng)不均衡進化法則

任何技術(shù)系統(tǒng)所包含的各個子系統(tǒng)都不是同步、均衡進化的，這種不均衡的進化經(jīng)常會導(dǎo)致子系統(tǒng)之間的矛盾出現(xiàn)，解決矛盾將使整個系統(tǒng)得到突破性的進化。整個系統(tǒng)的進化速度取決于系統(tǒng)中發(fā)展最

04 旋挖鉆機的未來展望

慢的子系統(tǒng)，改進進化最慢的子系統(tǒng)，就能提高整個系統(tǒng)的性能。

遵循TRIZ理論的向微觀進化法則中有一條進化路線是分割，即將整體的、單一的物體分割成多個部分來達到減小尺寸的目的。基于這條進化路線，可以提出一個可能的研發(fā)方向，就是將鉆機各個功能模塊分割開，使其成為一個獨立的單元，單元組合能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機原有的功能，而單個單元尺寸很小，在運輸性方面能夠體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

該方案的好處是可以大大節(jié)省運輸成本，而缺點在于多次運輸以及現(xiàn)場拼裝會消耗時間成本?？紤]到實際施工過程中，在某些施工環(huán)境下沒有合適的道路，需要現(xiàn)場鋪設(shè)，而大的尺寸與重量會使鋪設(shè)成本大幅度提升，合理規(guī)劃施工工序能夠?qū)r間成本降低，但資源耗費是較難解決的關(guān)鍵性的矛盾。

從超系統(tǒng)進化法則出發(fā)，可以將成孔檢測、混凝土澆注等功能集成到原有的鉆機系統(tǒng)上，也可以改變鉆機結(jié)構(gòu)使其可以更換不同類型的鉆頭，進行不同的鉆孔作業(yè)，實現(xiàn)鉆機的多功能化。

圖5 向微觀進化法則

關(guān)于移動性，除了前面提到的分割鉆機結(jié)構(gòu)之外，還可以考慮對鉆機整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以減少重量。注意到重量是影響鉆機可移動性的一個關(guān)鍵因素，給鉆機掛上有較大浮力的氣球也是一個值得思考的方案，如圖6所示。

關(guān)于可控性，考慮到目前鉆機的自動化水平還較低，可以增加各種自動化監(jiān)控預(yù)警和控制設(shè)備，提高旋挖鉆機的機械化、自動化和智能化水平。

考慮子系統(tǒng)不均衡進化法則，雖然目前旋挖鉆機技術(shù)已較為成熟，子系統(tǒng)間的差距并不明顯，但仍可以對鉆具的提升和下放、土層鉆進、渣土抽取、泥漿等分系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化和提升，提高它們之間的的配合效率，以提升整體的工作效率。

圖6 氣球方案